爱因斯坦和波尔之间一场著名的论战

就如同诗人与哲学家在文学桂冠上的殊死搏斗,爱因斯坦和哥本哈根学派之间也是在对宇宙本源问题的理解上展开了这场角逐。这种争论发展出了一片犹如博弈棋盘般的舞台,最终使得爱因斯坦和波尔这两位贵宾之间掀起了一场堪称顶级的辩论。

第五届索尔维会议-量子力学

因为各自对万物本源的理解有所出入,阿尔伯特·爱因斯坦与丹麦哥本哈根学派之间的论争一直没停过。在这场纷繁复杂的争论中,爱因斯坦与玻尔之间的争论更是成为了经典。1927年,热情洋溢的比利时国王慷慨解囊,赞助举办了盛况空前的第五届索尔维会议,整整六天时间,这次大会的核心议题正是量子力学。

在会议的热身阶段,劳伦斯·布拉格和西奥多·康普顿分别为大家带来了他们呕心沥血完成的X射线和康普顿散射实验报告,会议的气氛瞬间燃爆,量子理论大战正式拉开帷幕。

约瑟夫·德布罗意率先登台发表演讲,展示了他引以为傲的德布罗意波,并且提出一种新颖的导波理论,他将波函数看作引领粒子运动的智慧波。然而,由于缺乏清晰严谨的因果关系,德布罗意的理论在泡利那儿落得了惨痛的评价。无奈之下,德布罗意只能选择低下头颅,改弦易辙。

紧随其后,薛定谔挺身上阵,在台上诉诸其英明神武的波动力学理念。但对于无懈可击的薛定谔方程,他仍然坚守着那个流传已久的解读—薛定谔坚信波函数或许是一位真实存在的物理量,映射的是电子电荷的空间分布。此举立刻招来了哥本哈根学派以及自家兄弟爱因斯坦的强烈不满。

面对泡利毫不客气的“幼稚言论”,以及海森堡直白的“薛定谔算出来的结果我什么亮点都瞧不见”的质疑,薛定谔虽承认自己的计算还有待改进,但他依然坚定地声称"所谓电子的轨道纯属无稽之谈。"波恩予以回怼,他明确指出:波函数和波函数的分布一点都不是胡扯。

海森堡和波恩主张波函数是纯粹虚构的观测对象,波函数的平方度量的是粒子在某个位置出现的概率,电子本身并不会像波那般展开,只是它出现的概率确实像一个波,它不过是依照波函数所预示的模式出现罢了。如此一来,量子法则实际上体现的就是统计学特性,而非决定论原则。在波恩和海森堡联手构造的"炮轰"之下,薛定谔终于认输。

最后出场的是大放异彩的波尔。在这次发言中,他再次阐述了他的互补性原理,强调了波粒二象性如硬币两面,不可缺少。至于它们如何展示,全看实际观察的方法选择。

在报告环节中,备受瞩目的爱因斯坦却沉寂如水,鲜少发表看法。即使偶尔开口,也是含蓄低调,譬如:"实在不好意思,我对量子力学研究不够深入,只好很肤浅地谈谈自己的一些拙见啦 "。

待报告圆满落幕之后,紧接着便是自由探讨环节,这时,爱因斯坦不出手则已,一旦出手必定使众人叹为观止。他的法宝,亦即他最熟悉并驾轻就熟的思维试验。据当时在场的海森堡回忆,整个自由讨论阶段瞬间化身为爱因斯坦与波尔二人之间精彩绝伦的单打独斗。平日里,爱因斯坦总是利用共进早餐的机会提出一则新奇的思想实验,就像个教练一样激将彼岸的波尔:“如果我们先这么做,接着这么做,最后再这么做,会发生什么情况呢?这恐怕会引起量子力学的疑虑吧,怎么样,波尔先生,您准备如何解决这个问题呢?”每当午饭时间到,波尔便立刻叫上海森堡与泡利共同展开深入研读,待简洁丰盛的晚餐享用完毕后,波尔便已然成功破解了爱因斯坦富有创意的策略。然而次日清晨,早已习惯于泰然处之的爱因斯坦秉承着与昨日同样的精神风貌,再次抛出另一个富有趣味性的思考试题,等待着波尔的挑战。在此番激烈的角逐中,尤为引人注目的便是那个闻名遐迩的单缝实验。

试想一座带有单缝的遮光板悬置于一条稳固的弹簧之上,而当一粒电子井然有序地破镜穿孔而过,其衍散能量方向应呈上下分布,按照动量守恒定律,遮光板理所当然会受到一股向下的力,从而导致弹簧有足够理由进行轻微的下探运动。然而如果电子选择反向移动,那么弹簧则理应适当上翘。待爱因斯坦自信满满地宣称,凭借弹簧的动作趋势,我们便可以轻易推断出电子穿越单缝时的具体动量。并且,由于他已经知道了缝隙的准确位置,那么他甚至可以同时掌握电子的运动轨迹以及位置信息,此举岂非明晃晃地破坏了海森堡的不确定性原理!

面对爱因斯坦的直言不讳,波尔一开始显得有些困惑不解,然而经过严谨的推理及深思熟虑后,波尔还是洞察到了问题的关键所在,反驳道:“哦!原来即便如电子这样渺小至极的微观物质也能使得弹簧产生振动,那么遮光板和弹簧必然都是量子体系,作为量子系统的一部分,我们又怎能根据细缝的位置和动量去推断电子的状况呢?这正是爱因斯坦先生在这里犯下的错误,即将常见的宏观法则简单地套用到量子体系当中。”听闻此言,原本洋洋得意的爱因斯坦无从辩解,他只能表示赞同波尔的观点。

在这场堪称经典的第五届索尔维会议上,哥本哈根学派如同旗开得胜般,在与爱因斯坦的争论中以3:0的优异成绩完胜对方。这场量子讨论为哥本哈根学派树立了强有力的声誉,从那时起,他们便奠定了在物理领域不可或缺的地位。

第六届索尔维会议-光盒

不过显然的是,这位可敬的科学家内心深处那颗闷骚的不服气之心依旧没有得到平息。仿佛是期待已久的机会,爱因斯坦在第六届索尔维会议的舞台上,一上台便毫无情面地向波尔投掷了他精心设计的智谋实验,就像一记巧妙的回击球般精准地砸向波尔。

爱因斯坦就这样,一边在黑板上巧妙地绘制出一个神秘的笼罩着光粒子的盒子模型,一边假设其中包含有成千上万的光粒子,我们姑且把它称为"光盒"。然后,他又让这个光合内部出现了一枚制作精良的时钟,并在上面安设了一扇短暂打开的小窗口。我们选定一个时间点,他亲手启动那个窗口,让一个光子脱离体制束缚的振翅高飞,然后再小心翼翼测量一下此时箱子的重量变化情况。依照着阿尔伯特·爱因斯坦那大名鼎鼎的质量能量方程式来看,尽管光子看似无懈可击地保持零静止质量,然而实际上,它们身上储存着大量的能量,这些能量无形中定义了光子的运动质量。所以理论上讲,光盒的重量也会悄悄受到那么一点微妙的影响。既然我们已经掌握了光子准确逃离光盒的时间,那岂不是在某种程度上背离了由海森堡所提出的关于能量与时间之间的不确定性呢?

请注意,这样的实验其实并不需要实实在在地进行,毕竟它只是清爽的思想实验罢了,咱们只需基于数学理论寻找可能存在的缺陷便是。

当波尔听到爱因斯坦这段时间的唠叨之后,立刻如同瞬间被电到了一样,神色显得极为震惊。我想,他应该会永远无法忘怀这两位绝顶聪明的物理学者沿街头离去时的情景。爱因斯坦步伐坚定,步伐踏得极大动静,嘴角泛起的那抹笑容充满了自信和嘲弄。相反地,波尔则紧紧尾随其后,口中不停地嘀咕着:“这完全不可理解嘛!如果你的实验真的成立的话,那整个物理学恐怕就要崩塌瓦解啦!”

在那天晚上,望着窗外的月亮和闪烁的星斗思考了一整夜的波尔,脑域深处突然迸发一种敏锐的认识力。他恍然大悟,原来爱因斯坦在那个至关重要的实验当中犯了一个及其严重的错误。

带着新奇的灵感,波尔亦决定在次日清晨向爱因斯坦发起猛烈的反击。波尔主张,若欲精确计算光盒的质量,你必须启用那些绝世无双的精密仪器。譬如,我们可以想象光盒就像吊在一架超高精度的弹簧秤上晃荡一样。同时,将控制光粒子进出的阀门与光盒内部的时针相连。当那枚悲壮的光子飞向自由的天空时,弹簧便会轻轻向上弹跳一下,这个弹跳的高度便是光盒质量的一部分。

然而,我们也不能忽视弹簧高度的不确定性,这份不确定性同样反映了光盒重量的不稳定性。更何况,根据你创立的广义相对论,海拔越高的地区时间过得就越快,难道不是吗?换句话说,这种高度不确定性也意味着光盒时间的不确定性。经过一番巧妙计算,正好能满足海森堡的那个不确定性原理

最后的较量,爱因斯坦逾越了微观世界与宏大宇宙之间的界线,竟然忘了自己引以为豪的广义相对论。毫无疑问,爱因斯坦这一次可是受到致命打击,完全束手无策。 通过这两回与波尔的激烈辩论,爱因斯坦终于意识到不得不承认量子力学确实有点东西的。

EPR佯谬

说白了啊,这场两人之间的辩论可真是亲切得很呢。别看他嘴上说得狠,实际上人家可没排斥过哥本哈根学派的贡献,甚至一年后还给诺贝尔奖委员会推举了薛定谔和海森堡呢,结果他们俩这两位大侠因此还拿到了诺贝尔物理学奖。

不过好景不长,第七届索尔维会议刚完事儿没几个月,欧洲那边的政治状况可就越来越糟糕啦。1933年初,爱因斯坦不得不离开瑞士,搬到美国去,在普林斯顿高等研究院安家落户。眼看老大哥不在身边,德布罗意和薛定谔稍显孤立无援,就只好默默观战哥本哈根学派的表演咯。

咱说爱因斯坦毕竟还是有点影响力的嘛,就算离主流物理学圈子渐行渐远,跟玻尔的那场大战依然进行着。他肯定了量子力学在逻辑上的完美无缺,但是心里却总觉着不对劲。他理解不了哥本哈根学派那个说法:当我们不观测时,粒子处在一个叠加的状态;但只要我们一瞅见,粒子就在瞬间塌缩成一个确定的状态。这道理跟爱因斯坦的世界观可就冲突了:爱因斯坦始终坚持世界应当由客观事实构成,不允许任何主观意识干预。你之所以觉得这是纯随机的,也许是量子力学本身还不够完备,这里面也许还有其他的什么机制。

等到了1935年,爱因斯坦决定再来整最后一回,便携手两位同僚奋笔疾书了一篇名为《描述物理实在的量子力学是否完备呢?》的旷世杰作。文章当中还设计了一个著名的思想实验,后人干脆直接用他们三个人的名字缩写简化为“EPR 佯谬”。这 EPR 佯谬不仅在物理学界引起了巨大反响,更在哲学领域掀起了翻天巨浪。

这么说吧,假设我们有那么一颗巨大的粒子,由于某种原因发生裂变而变成两颗粒子,它们沿直线向着反方向飞快地飞走。根据动量守恒定律,这两颗粒子的运动情况总是保持着对称性对吧?所以此时此刻,如果我能把其中的一颗粒子 A 的位置测出来是 X,那也就等于我已经掌握了另一颗粒子 B 的位置必定是负的 X。按照海森堡的不确定性原理,当测量粒子 A 的位置时,的确会对其速度产生影响,但是这并不妨碍我去测量粒子 B 的动量哟,对吧?然后我接下来再去测量粒子 B 的速度……哎呀妈呀,这岂不是咱就同时得到了粒子 B 的位置和动量,可这海森堡又怎么给咱们解释这个奇怪现象呢?

当这个EPR佯谬出笼的时候,哥本哈根学派犹如遭了霹雳击中,短暂失神。玻尔更是像骑马的战士折断了箭,匆忙收武器应对。经过一番讨论,玻尔给出的反驳是这样的。首先由于AB两个粒子是由同一个大粒子分裂而来的,所以它俩应该被看作是由同一个波函数描述的一个整体。此时你测量A的位置就等同于测量了B的位置,B的动量也就被影响了。此时你再去测量B的动量,那就已经不是之前的动量了,所以你还是不能同时获得粒子的位置和动量。

但这一回爱因斯坦不买账了。好家伙,我这两个粒子可以相隔几光年之远。如果测量A的状态立刻就能破坏B的状态,那这不就成了一种鬼魅般的超距作用了吗?后来薛定谔为了嘲讽玻尔,说你的意思是这俩粒子难不成还能纠缠在一起?这一回爱因斯坦没有犯任何错误。爱因斯坦成功的论证了,你量子力学要想是对的,那这种鬼魅般的超距作用就必定存在。而这一点连玻尔自己都表示难以接受。

这次论战将这两个对手世界观的分歧展露得淋漓尽致。爱因斯坦始终认为,世界应该是实在性的,是确定性的,也就是世界应该是独立于人类观察者的客观实在,并且不存在任何超光速的瞬时相互影响而玻尔则认为,你所谓的客观实在与观察的动作有关,在你观测前,压根就不存在所谓的客观实在。观测动作本身就是测量结果的一部分

话说回来,这次玻尔和爱因斯坦纠缠战中,哪边都没把对方说服。这场辩论也就这么不了了之了。而这神秘的超越空间力的真相在随后的30年里始终是个迷。爱因斯坦的质疑甚至逐渐被大众淡忘了。直到后来贝尔不等式的问世,还有咱们伟大的量子纠缠实验成功横空出世,这个问题才浮出水面。

不过可惜的是,爱因斯坦和玻尔都未能亲眼见到这些实验结果。在生命的最后30年里,爱因斯坦一直都在寻找着一种、比量子力学更基本的理论,但受限于实验技术水平,这注定是一条无比艰难的路。1955年,爱因斯坦因主动脉破裂,孤零零地去世了。不久之后的1962年,玻尔也因心脏衰竭去世。就在玻尔去世前一天还在用的黑板上,人们发现了一个图形,那正是爱因斯坦的光盒。